JP6191345B2

JP6191345B2 - ガス濃度測定装置

Info

Publication number: JP6191345B2
Application number: JP2013185898A
Authority: JP
Inventors: 宣之西居; 藤井　淳; 淳藤井; 英二入佐
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP2015052546A

Description

本発明は、半導体レーザを用いて測定対象ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置に関し、特に、燃焼計測や環境調査を行うために測定対象ガスの濃度を計測する技術に関する。

図５は、従来のガス濃度測定装置の一例を示す図である（特許文献１）。このガス濃度測定装置１００において、発光部１１０は、レーザ光を発光する半導体レーザ２を有する発光ボックス１と継手１３０とを有し、レーザ光が煙道２０内を通過するように煙道２０の側壁部に設置されている。

受光部１２０は、レーザ光を受光する受光素子４を有する受光ボックス３と継手１３０とを有し、発光部１１０に対向するように煙道２０の側壁部に設置される。演算処理部１４は、受光素子３で検知したレーザ光の強度に基づいてガス濃度を演算する。

ガス濃度測定装置１００によれば、半導体レーザ２からのレーザ光を煙道２０内の測定対象ガスに透過させ、透過したレーザ光を受光素子３で受光し、受光されたレーザ光の強度を測定することによって、演算処理部１４で煙道２０内の測定対象ガスの濃度を測定する。

このようなガス濃度測定装置においては、レーザ光１５が受光素子３に当たるように光軸を調整する必要があり、光軸は継手１３０により調整される。図６は、図５に示す従来のガス濃度測定装置内の継手１３０の構成図である。図６に示す継手１３０は、煙道２０側に固定された内側継手部品１１と、発光部１１０又は受光部１２０に固定された外側継手部品１０と、これらの間に介挿されるＯリング１６と、アジャストボルト８と、ナット９で構成され、これらは、角度調整機構を構成する。アジャストボルト８を回転させることにより、内側継手部品１１と外側継手部品１０との隙間を変化させ、外側継手部品１０の角度を変えることで外側継手部品１０の角度調整を行い光軸を調整することができる。なお、Ｏリング１６は、内側継手部品１１と外側継手部品１０との間をシールし、測定対象ガスが外部に漏れないようにしている。

図７は、図６に示す外側継手部品１０の角度を調整する角度調整機構の角度調整範囲を示す図である。外側継手部品１０と内側継手部品１１に形成されたストッパとの隙間Ｔの範囲で外側継手部品１０の角度が振れることによって、外側継手部品１０の角度が調整される。隙間ＴはＯリング１６のシール性が保たれるまでの長さとする。角度調整の最大値をωとすると、
ω＝ａｒｃｔａｎ（Ｔ／Ｓ）
で表される。Ｓは光軸の中心からストッパの上端までの長さである。角度調整範囲ωは、実際には３ｄｅｇ（度）程度である。

また、図８に示すような外側継手部品１０の角度を調整する角度調整機構が用いられることもある。この例では、継手は、煙道２０側に固定された内側継手部品１１と、発光部１１０又は受光部１２０に固定された外側継手部品１０と、これらの間に介挿されるベローズ１７と、アジャストボルト８、ナット９とで構成される。この場合にも、アジャストボルト８を回転させて、内側継手部品１１と外側継手部品１０との隙間を変化させ、外側継手部品１０の角度を変えることで外側継手部品１０の角度調整を行うことができる。

また、この種の従来技術として、例えば、特許文献２に記載された光軸調整機構付投受光器が知られている。この光軸調整機構付投受光器は、円筒形をなし被計測物に固定されるエアパージ部と、内部に投光部及び受光部を収容する筐体を有し筐体に外部へ突出する中空軸が設けられた投受光器本体と、エアパージ部及び投受光器本体を連結し投受光器本体を全方向に自由度を持たせて支持する球面軸受と、エアパージ部に固定されて投受光器本体を覆い中空軸が貫通する穴明部を有する支持部材と、穴明部を貫通した中空軸に挿通され中空軸を支持部材に固定する角度調整可能な締結部材とを備える。

特開２００２−２７７３９１号公報特開昭６３−３０９８３９号公報

しかしながら、図６に示す角度調整機構の場合、Ｏリング１６は、ある程度潰された状態でシール性を確保する必要がある。このため、外側継手部品１０を大きく傾けると、内側継手部品１１と外側継手部品１０の隙間が大きくなり、シールできなくなる。このため、外側継手部品１０の調整角度が制限される。その結果、発光部および受光部の光軸調整範囲が狭くなるという課題を有していた。

また、図８に示す角度調整機構の場合には、レーザ光の光軸調整の基点は、内側継手部品１１から距離Ｃだけ離れた点となる。この距離Ｃは、内側継手部品１１と外側継手部品１０の間に配置されるベローズ１７の長さである。ベローズ１７の長さは、少なくとも５０ｍｍ程度であるため、レーザ光の光軸調整の基点は、ベローズ１７の長さ以上となる。このため、外側継手部品１０を傾けて角度を調整したときに、レーザ光がフランジ部に干渉し易くなる。

また、特許文献２に記載された光軸調整機構付投受光器においては、球面軸受が設けられているが、この球面軸受に対してシール性が確保されていなかった。

本発明の課題は、発光部および受光部の光軸調整範囲を広くすることができ、しかもシール性を確保することができるガス濃度測定装置を提供する。

本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を発光する発光部と、前記発光部のレーザ光を測定対象ガスを透過して受光する受光部と、前記受光部の検出出力に基づき前記測定対象ガスの濃度を算出する演算処理部と、前記発光部及び前記受光部の少なくとも一方に連結され、内側継手部品と外側継手部品と前記内側継手部品及び前記外側継手部品の隙間を調整する調整部とを有する継手とを有し、前記内側継手部品及び前記外側継手部品の夫々には、前記内側継手部品と前記外側継手部品とが互いに接触する接触部が形成され、少なくとも一方の接触部には球面が形成され、他方の接触部には溝部が形成され、前記溝部にはシール用部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、内側継手部品及び外側継手部品の夫々には、内側継手部品と外側継手部品とが互いに接触する接触部が形成され、少なくとも一方の接触部には球面が形成され、他方の接触部には溝部が形成され、溝部にはシール用部材が設けられているので、発光部および受光部の光軸調整範囲を広くすることができ、しかもシール性を確保することができる。

本発明の実施例のガス濃度測定装置の発光部の構成図である。本発明の実施例のガス濃度測定装置において外側継手部品と内側継手部品との隙間Ａと外側継手部品が内側継手部品と接触する部分が稼動する円周の半径Ｒと角度αと角度θを示す図である。図２に示す角度αを変えたときに隙間Ａと半径Ｒとの条件により得られる角度調整範囲θの計算値を示す図である。本発明の実施例のガス濃度測定装置に設けられた内側継手部品の変形例を示す構成図である。従来のガス濃度測定装置の一例を示す図である。図５に示す従来のガス濃度測定装置内の継手の構成図である。図６に示す外側継手部品の角度を調整する角度調整機構の角度調整範囲を示す図である。従来の他のガス濃度測定装置内の外側継手部品の角度を調整する角度調整機構を示す図である。

以下、本発明のガス濃度測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、内側継手部品と外側継手部品との少なくも一方の接触面が球面からなり、外側継手部品の角度を変えることによって、レーザ光の光軸を調整することを特徴とする。

図１は、本発明の実施例のガス濃度測定装置の発光部の構成図である。図１では、発光部について示しているが、受光部についても発光部と同一構成であるので、受光部については説明を省略する。

図１において、発光ボックス１には連結管１３が接続され、この連結管１３には外側継手部品１０Ａが形成されている。固定管１２には内側継手部品１１Ａが形成されている。

外側継手部品１０Ａには、内側継手部品１１Ａと接触するための凸状の球面からなる接触部１０ａが形成されている。内側継手部品１１Ａには、外側継手部品１０Ａと接触するための凹状の球面からなる接触部１１ａが形成されている。凹状の球面からなる接触部１１ａには、溝部１１ｂが形成され、この溝部１１ｂにはＯリング１６が配置されている。

Ｏリング１６は、本発明のシール用部材に対応し、例えば、フッ素ゴム、テフロン（登録商標）等からなり、接触部１０ａと溝部１１ｂとに接触することで、シールしている。

また、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとの先端側の夫々には、穴部が形成され、外側継手部品１０Ａの穴部から内側継手部品１１Ａの穴部にテンションボルト５が挿通され、ナット７によりボルト締めされ、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとが固定されている。

また、テンションボルト５と外側継手部品１０Ａとの間には自然長よりも短く設定され角度調整用のバネからなるスプリング６が挿入されている。

テンションボルト５とスプリングとナット７とは、内側継手部品１１Ａと外側継手部品１０Ａとの隙間を調整する調整部を構成する。スプリング６と接触部１０ａ,１１ａとは、外側継手部品１０Ａの角度を調整する角度調整機構を構成する。

なお、テンションボルト５、スプリング６、ナット９、アジャストボルト８の組を一組として、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとに複数組の固定箇所を設けてもよい。

テンションボルト５は、内側継手部品１１Ａおよびナット７でネジ締めされるためのネジ形状となっている。内側継手部品１１Ａおよびナット７のテンションボルト５との接続部は、テンションボルト５が締め付けられるネジ形状となっている。

継手中心の対称方向ではアジャストボルト８とナット９とにより外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとが固定されるとともに、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとには、接触部１０ａ，１１ａが形成されている。接触部１１ａには、溝部１１ｂが形成され、この溝部１１ｂにはＯリング１６が配置されている。

アジャストボルト８は、内側継手部品１１Ａおよびナット９でネジ締めされるためのネジ形状となっている。内側継手部品１１Ａおよびナット９のアジャストボルト８との接続部は、アジャストボルト８が締め付けられるネジ形状となっている。

また、半導体レーザ２のレーザ光の波長を連続的に変化させるレーザ制御部（図示せず）を備えている。

以上の構成によれば、テンションボルト５を回転すると、外側継手部品１０Ａの接触部１０ａが内側継手部品１１Ａの接触部１１ａを滑りながら回動して、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとの隙間が変えられる。これにより、内側継手部品１１Ａに対する外側継手部品１０Ａの相対角度が変わることで外側継手部品１０Ａの角度を調整することができる。この動作は、テンションボルト５とアジャストボルト８との各組に対して行われる。

また、接触部１１ａには、溝部１１ｂが形成され、この溝部１１ｂにはＯリング１６が配置され、Ｏリング１６が接触部１０ａと溝部１１ｂとに接触しているので、シール性を確保することができる。

図２において、Ａは外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとの隙間を示し、Ｂは内側継手部品１１Ａと接触部１０ａの球面の中心との距離を示す。図８に示す距離Ｃに対して、Ｂ＜Ｃとすることで、図８に示す従来技術の装置よりも光軸調整時にレーザ光が固定管１２の内壁に干渉しにくくなり、光軸の調整範囲が広がることになる。

外側継手部品１０Ａの角度調整範囲は、外側継手部品１０Ａを傾けて内側継手部品１１Ａに接触するまでの範囲である。図２において、円状の点線は、外側継手部品１０Ａが内側継手部品１１Ａと接触する部分が稼動する円周を示し、その半径はＲである。αは、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ａとが平行となっているときの「外側継手部品１０Ａが内側継手部品１１Ａと接触する部分」と「回転中心」と「固定管１２の中軸軸」とがなす角度である。θは外側継手部品１０Ａが最大で調整された場合の角度である。

隙間Ａは以下のように表される。

Ａ＝Ｒ（ｃｏｓ（α−θ））−ｃｏｓα）
＝Ｒ（ｃｏｓα・ｃｏｓθ）＋ｓｉｎα（１−ｃｏｓ^２θ）^１／２）−ｃｏｓα）
この式をθについて解くと、
θ＝ａｒｃｃｏｓ［（Ａｃｏｓα＋Ｒｃｏｓ^２α）／Ｒ＋｛ｃｏｓ^４α＋２Ａｃｏｓ^３α／Ｒ＋（（Ａ^２／Ｒ^２）−２）ｃｏｓ^２α−２Ａｃｏｓα／Ｒ−（（Ａ^２／Ｒ^２）−１）｝^１／２］
となる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、α＝６０ｄｅｇ、α＝７５ｄｅｇ、α＝９０ｄｅｇとしたときに、隙間Ａ及び半径Ｒの条件により得られる角度調整範囲を示している。図７に示す従来の装置では、３ｄｅｇ程度の角度調整範囲であったが、実施例では、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すような点線の範囲内の条件に設定することにより、角度調整範囲を図７に示す従来の装置よりも大幅に広げることができる。例えば、図３（ａ）において、α＝６０ｄｅｇ、半径Ｒが１００ｍｍ、隙間が１０ｍｍとすると、θは約６ｄｅｇとなり、角度調整範囲が大幅に広がっていることがわかる。

また、実施例の変形例として、例えば、図４に示すような内側継手部品１１Ｂを用いても良い。即ち、内側継手部品１１Ｂは、溝部１１ｂと段差部１１ｃと段差部１１ｄとが形成され、段差部１１ｃと段差部１１ｄとが球面からなる接触部１０ａに接触している。

このように、外側継手部品１０Ａと内側継手部品１１Ｂとが接触する接触部分において、一方の接触部１０ａのみが球面であり、他方の接触部が段差部１１ｃと段差部１１ｄであっても、一方の接触部１０ａが段差部１１ｃと段差部１１ｄに接触しながら回動するので、外側継手部品１０Ａの角度を調整するこができる。従って、実施例２においても、実施例１の効果と同様な効果が得られる。即ち、一方の接触部１０ａのみが球面であればよく、他方の接触部の形状は球面以外の形状でもよい。

このように構成された実施例のガス濃度測定装置によれば、内側継手部品１１Ａ及び外側継手部品１０Ａの夫々には、内側継手部品１１Ａと外側継手部品１０Ａとが互いに接触する接触部が形成され、少なくとも一方の接触部には球面が形成され、他方の接触部には溝部１１ｂが形成され、溝部１１ｂにはシール用部材であるＯリング１６が設けられているので、発光部１１０および受光部１２０の光軸調整範囲を広くすることができ、しかもシール性を確保することができる。

また、レーザ制御部が半導体レーザ２のレーザ光の波長を連続的に変化させることで、測定対象ガスに対して、レーザ光の波長を連続的に変化させて照射し、透過したレーザ光の吸収による強度変化に基づき、測定対象ガスの濃度を測定することができる。

本発明に係るガス濃度測定装置は、特に、煙道用ガス濃度測定に利用可能である。

１発光ボックス
２半導体レーザ
３受光ボックス
４受光素子
５テンションボルト
６スプリング
７，９ナット
８アジャストボルト
１０，１０Ａ外側継手部品
１１，１１Ａ，１１Ｂ内側継手部品
１０ａ，１１ａ接触部
１１ｂ溝部
１１ｃ，１１ｄ段差部
１２固定管
１６Ｏリング
１８ストッパ
２０煙道

Claims

レーザ光を発光する発光部と、
前記発光部のレーザ光を測定対象ガスを透過して受光する受光部と、
前記受光部の検出出力に基づき前記測定対象ガスの濃度を算出する演算処理部と、
前記発光部及び前記受光部の少なくとも一方に連結され、内側継手部品と外側継手部品と前記内側継手部品及び前記外側継手部品の隙間を調整する調整部とを有する継手とを有し、
前記内側継手部品及び前記外側継手部品の夫々には、前記内側継手部品と前記外側継手部品とが互いに接触する接触部が形成され、少なくとも一方の接触部には球面が形成され、他方の接触部には溝部が形成され、前記溝部にはシール用部材が設けられていることを特徴とするガス濃度測定装置。
前記調整部は、前記内側継手部品及び前記外側継手部品を挿通し前記内側継手部品とナットとでネジ締めするボルトと、
前記ボルトと前記内側継手部品及び前記外側継手部品の一方との間に設けられたスプリングと、
を備えることを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
前記発光部に有する半導体レーザのレーザ光の波長を連続的に変化させるレーザ制御部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のガス濃度測定装置。